路由器分布式控制技術研究

賀東

摘要:路由技術為計算機之間的通信選擇路徑,路由器隨著互聯網的普及越來越重要,使結構復雜、數量較多的主機組成的龐大網絡構成一個有序的整體。文章主要介紹了路由器概況、集中式路由器、分布式路由器、從可靠性、可擴展性和部署代價等方面對這兩種路由器做了對比。

關鍵詞:路由器集中式控制技術分布式控制技術

中圖分類號:TN93 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(c)-0026-01

1 引言

近年來,隨著光傳輸技術的快速發展和核心路由表的快速增長,對路由器性能提出了更高的需求,互聯網快速發展要求路由器隨著網絡規模和流量增長不斷擴展自身性能。目前,路由器的使用較多的集中在集中式控制,由于路由器控制平面只有一個控制單元處理控制任務,數據平面規模擴展將增加控制平面的負載,容易造成控制單元過載。為了能夠有效解決集中式路由器控制平面面臨的問題,一些學者提出了路由器分布式控制方案。本文主要介紹了路由器概況、集中式路由器、分布式路由器、同時從可靠性、可擴展性和部署代價等方面對這兩種路由器做了對比,以便更好的了解路由器集中式控制與分布式控制的特點。

2 路由器

2.1 路由器的主要功能

路由器主要用于OSI七層協議的第三層,被用來接收來自一個網絡接口的數據包,依照其中所包含的目的地址,確定轉發到下一個目的地址。所以,路由器需要先在轉發路由表中查找到目的地址,如果找到了目的地址,可在數據包的幀格前添加下一個MAC地址,與此同時IP數據包頭的TTL域也開始減數,并計算新的校驗名。當數據包被送到輸出端口時,它需要按順序等待,以便于被傳送到輸出鏈路上。也可以描述為在網絡間截獲發送到遠地網絡段的網絡數據報文,同時轉發出去。可以為不同網絡之間的用戶提供合理的通信途徑。網絡層數據報文轉發的基礎是維護路由表、并與其它路由器交換路由信息,路由器還可以實現對數據報的過濾和記帳。利用網際協議,能夠為網絡管理員提供整個網絡的有關信息和工作情況,以便對網絡進行科學的管理。

2.2 路由器的優缺點

具有較為復雜的網絡拓撲結構、負載共享和最優路徑;節約局域網的頻寬;適用于大規模的網絡;可以較好地處理多媒體數據;安全性不低;可濾除多余的通信量;減輕主機負擔等等是路由器的優點。但是,路由器不支持非路由協議、其安裝較為復雜、購買價位較高。

2.3 路由器的工作原理

當路由器收到一個網絡層數據報時,路由器便要決定是直接轉發給與自己相連的網絡還是發往另一個路由器,或者丟棄該數據報。路由器利用網絡層的源和目的地址信息來確定信息發往哪一個網絡,如果源和目的網絡號在同一個網絡中則送到該網絡的指定主機。一個信息包到達路由器后先進入隊列,然后路由器依次進行如下處理:提取信息包的目的地址,查看路由表,如果到達目的地的路徑不止一個,則選擇一條最佳路徑。另外,路由器在進行選擇時還綜合了互聯網上網絡負載、延時、數據報長度、數據報頭中規定的服務類型等因素來選擇出最優路徑。

3 路由器集中控制技術

3.1 路由器集中控制技術

集中式路由器的控制平面僅設置唯一的一個控制單元,有專用的內部通信協議。

3.2 路由器集中控制面臨的主要問題

3.2.1 性能瓶頸

按照當今因特網的發展速度和硬件技術的發展速度,單一控制單元的集中式控制平面已經不能夠滿足因特網快速發展的需求。這是因為集中式路由器控制平面僅存在一個控制單元處理協議分組,這就是所謂的路由器性能瓶頸。據研究,大約有一半的網絡故障大概是由路由器控制平面過載丟失消息導致的。

3.2.2 單點失效

單點失效產生的原因是,目前路由協議主要運行在主控制單元上,由于硬件或軟件局部功能失效或代碼錯誤非常容易引起整個協議失效,這就是所謂的單點失效。即使目前的路由器控制平面使用主、從備份方式,但是由于主、從備份的失效恢復速度卻很慢,危害到整個網絡的可用性。當前,為了提高網絡可用性,可以通過向網絡中增加路由器和運行虛擬路由器冗余協議實現冗余備份。但是在一定程度上卻提高了網絡的運營成本,使網絡連接的復雜度和網絡管理的難度大大提高。

3.2.3 可擴展性差

集中式路由器的可擴展性較差,原因在于當前各路由器生產廠家使用的技術均是自己的私有技術,并且各自設計自己專用的路由器部件、路由器接口與路由器通信協議。由于市面上的路由器由不同廠家生產,這些路由器部件與部件之間無法相互通信與相互互換。所以,在網絡傳輸過程中,集中式路由器僅僅做為獨立的網絡設備相互連接,卻很難通過相互連接擴展為一臺性能更高與功能更多的路由器。總之,路由器生產技術的封閉私有性和集中控制性導致了路由器的可擴展性很差。

4 路由器分布式控制技術

4.1 路由器分布式控制技術

在分布式路由器中主要利用了客戶端/服務器模式、多層、服務器集群等高科技手段,與集中式路由器不同,分布式路由器的控制平面設置了多個控制單元,這些控制單元分布式連接,在物理形式上構成了一個整體,在分布式路由器中,路由器的協議和算法也是分布式的。路由器分布式控制平面一般包括集群路由器和轉發與控制分離兩類結構。目前,分布式控制路由使用的越來越廣泛。

4.2 路由器集中式控制與分布式控制比較

為了更好的了解路由器集中式控制與分布式控制的特點,從可擴展性、可靠性和部署代價等方面對集中式路由器和分布式路由器做了對比。在可擴展性方面,集中式路由器需要軟硬件升級才能擴展,但是分布式路由器可靈活的擴展控制平面功能和性能;在可靠性方面,集中式路由器單點失效就會嚴重影響路由器的可靠性,但是分布式路由器多實例并行和冗余備份提高了可靠性,控制單元之間和控制單元與轉發單元之間分擔負載,可克服單一硬件的性能瓶頸,減輕控制單元過載,在一定程度上也可以提高路由器的可靠性;在部署代價方面,集中式路由器代價較低,分布式控代價較高。此外,對于分布式路由器,硬件分布式互連和軟件功能分布式、模塊化設計和實現可實現不中斷服務升級,提高路由器的可用性;分布式路由器減輕了硬件或軟件故障引發的網絡震蕩;信令功能分布在轉發單元和并行處理減短了信令消息排隊時間。集中式路由器的內部通信協議專有,而分布式路由器的內部通信協議較為開放。但是與集中式控制相比,分布式控制存在內部通信開銷大和能耗高、管理和維護復雜等不足。

5 結語

隨著計算機技術的快速發展和互聯網的不斷普及,網絡的結構也越來越復雜、包含的主機數量可以說以百萬計至億計。路由器技術可以用來為計算機之間的通信選擇合理的路徑,因此,路由器的應用可以使龐大的網絡成為一個有序的整體。

參考文獻

[1] 黎連業.路由器及其應用技術[M].清華大學出版社,2005,8.

[2] 管劍波.集群路由器體系結構及其關鍵技術研究[D].國防科學技術大學,2005.